Capítulo 5
FENÓMENOS DE SUPERFICIE:
TENSIÓN SUPERFICIAL Y CAPILARIDAD
5.1 Tensión superficial y ley de Laplace 5.2 Ejemplos biológicos
5.3 Ángulo de contacto y capilaridad 5.4 Ejemplos biológicos
Los líquidos tienen un volumen fijo. Sin embargo, su forma varía (cambia el área de la superficie que los envuelve): se adaptan al recipiente (ocupando la zona más baja por gravedad) dejando una superficie libre (no totalmente plana) o adoptan formas especiales: gotas, pompas y burbujas.
Molécula en la superficie
Molécula en el interior
5.1 Tensión superficial y ley de Laplace
Las fuerzas superficiales (cohesión: líquido-líquido, adhesión: líquido-sólido) son responsables de muchos fenómenos con interés biológico, basadas en los conceptos de tensión superficial y capilaridad.
Introducción
Cada molécula de un líquido está rodeada por otras:
la atracción en todas direcciones se compensa en cada punto, excepto en la superficie, donde la resultante es una atracción neta hacia el interior.
El líquido tiende a cohesionarse (no dispersarse) y a minimizar su superficie (formar gotas).
La superficie se comporta como una película que ofrece resistencia a su deformación y por tanto a romperse.
Para cuantificar esta fuerza de cohesión consideremos una estructura de alambre con un lado deslizante, en
la que se coloca una capa de líquido. Fr
Fr −
S l
El líquido tratará de minimizar la superficie S
ejerciendo una fuerza F sobre el lado deslizante, que podemos medir. Se observa que:
2 l
F = γ donde γ es el la tensión superficial.
• F depende de l (longitud del cable deslizante) pero no de la superficie S (a diferencia de una membrana elástica).
• γ es una propiedad del líquido.
La tensión superficial γ es la fuerza por unidad de longitud que ejerce una superficie de un líquido sobre una línea cualquiera situada sobre ella
5.1.1 Tensión superficial
• Se introduce un factor 2 porque hay dos superficies (por ejemplo un líquido en un plato tiene sólo una).
La fuerza debida a la tensión superficial es perpendicular a la línea y tangente a la superficie.
La tensión superficial γ también es la energía por unidad de área que se necesita para aumentar una superficie:
Esto puede verse cuando se introducen un anillo de alambre y un hilo en forma de bucle en una disolución jabonosa y a continuación se sacan:
Se forma una película sobre la que flota el hilo:
Al pinchar el
interior del bucle el hilo forma un círculo perfecto:
Fr ∆S
l
S 2 x 2
x F
W = ∆ = γl ∆ = γ∆
Como la formación de una superficie requiere energía, los líquidos minimizan su área expuesta respecto al
entorno que les rodea. De ahí que las superficies de los lagos, el mar, etc. en calma sean planas y los líquidos al caer tiendan a formar volúmenes esféricos (gotas).
efecto_de_materiales_tensoactivos.mov
Tabla de coeficientes γ (unidades SI: N/m ó J/m2)
A veces interesa disminuir la tensión superficial de un líquido. Se logra disolviendo en él sustancias surfactantes (tensioactivos) que forman una película superficial cuyas moléculas apenas son atraídas por las
moléculas del líquido del interior. Se logra penetrar en irregularidades de piel y tejidos. También facilita que el líquido moje, como veremos.
Líquido T (°C) γ (N/m) Helio -270 0.0002 Hidrógeno -255 0.002
Neón -247 0.005
Oxígeno -193 0.016 Etanol 20 0.022 Agua jabonosa 20 0.025 Agua 100 0.059
60 0.062 20 0.073 0 0.076 Mercurio 20 0.465
Plata 970 0.800
• para una sustancia disminuyen al aumentar la temperatura.
• el del agua es mayor que en la mayoría de los líquidos (permite que los insectos se posen encima)
Ejemplos: los jabones son surfactantes del agua,
ciertas lipoproteínas en alveolos pulmonares.
5.1.2 Formación de burbujas, gotas y pompas:
ley de Laplace
Burbuja: separa la fase líquida (fuera) de la fase gaseosa (dentro): agua hirviendo.
Gota: líquido dentro y gas fuera.
Pompa: película de líquido que separa el gas de dentro del de fuera (pompas de jabón).
pompa de jabón
Hallemos el equilibrio mecánico de una pompa de radio r formada por una película de líquido de tensión superficial γ:
• La fuerza debida a la diferencia de presiones interior y exterior tiende a aumentar el tamaño de la pompa.
• La fuerza debida a la tensión superficial que tiende a minimizar el área de la pompa.
πr2 Cortamos la esfera a la mitad
pe: presión exterior
pi: presión interior pi > pe pe
pi
Para una gota o una burbuja queda:
r p = 2γ
∆ r
p = 4γ
∆
γ π
= π
× γ
= 2 2 r 4 r
F (2 superficies para una pompa)
Tensión superficial:
Diferencia de presiones: F = πr2(pi − pe) = πr2∆p
En equilibrio se igualan: Ley de Laplace para una pompa
(véase la figura)
• Cuanto mayor es γ mayor es la ∆p para lograr equilibrio (agua jabonosa).
• Es más difícil formar pompas muy pequeñas.
Sobreviven sólo las componentes de las fuerzas perpendiculares a la superficie proyectada πr2
¿Qué pasa si se conectan dos pompas de distinto tamaño?
Inicialmente,
Se abre la llave de paso
⇒ el aire va de 1 a 2 la pequeña infla a la grande
) r r
r ( r P 4
P r
P 4 P
r ;
P 4
P 2 1
2 2 1
2 1 e
1 2 e
1 − = γ − = γ ⇒ − = γ −
2 1
2
1 r P P
r < ⇒ >
Solución:
¿Qué pasa si se conectan dos pompas de distinto tamaño?
1 2
r
2p
2r
1p
1r′
2p′
2r′
1p′
12 1
2
1 p' r' r' '
p : final
Al = ⇒ =
5.2 Ejemplos biológicos
5.2.1 Tensión superficial: andando sobre el agua
El peso del insecto queda compensado por la resistencia de la superficie del agua a ser deformada, igual que le ocurre al equilibrista. Esta fuerza sólo tiene componente vertical, pues la horizontal se anula:
F r γ
F r γ ϕθ θ ϕ
Zapatero Rhagovelia
donde r es el radio de la depresión circular que forma la pata sobre la superficie (bastante grande pues las patas están muy extendidas).
componente vertical: Fy = 2πrγ cos θ (× número de patas)
Hojas y flores también pueden flotar aunque sean más densas que el agua.
equilibrista
5.2.2 Tensión superficial: funcionamiento de los alveolos pulmonares de los mamíferos
Podemos imaginar un alveolo como una pequeña vesícula (aprox. 50 µm) que se hincha (factor 2) y se deshincha unas 12 veces/min al respirar.
Consta de una membrana elástica exterior recubierta por una membrana líquida interior (mucosa).
alveolo
Los alveolos son unos saquitos que se encuentran al final de los conductos respiratorios donde se produce el intercambio del O2 y el CO2 con la sangre.
La relación entre la presión y el radio de la membrana
líquida está controlada por la ley de Laplace y depende de la tensión superficial. En cambio esta relación para la
membrana elástica es distinta, controlada por las leyes de la elasticidad.
Solución: γ varía gracias a un tensioactivo (fosfolípido) de concentración variable
• Al inspirar, el alveolo está desinflado y la concentración de tensioactivo es elevada de forma que γ es muy baja y el alveolo se dilata sin dificultad.
Si la tensión superficial γ del alveolo desinflado (r = 50 µm) tuviera el mismo valor que cuando está inflado, γinflado = 0.05 N/m, entonces la sobrepresión sería:
Hg mm 15
Pa 10
m 2 10
5
N/m 05
. 0 2 r
p 2
pi e -5 = × 3 =
×
= ×
= γ
−
La presión manométrica en el interior de los alveolos es pi = −3 mm Hg.
lo que exigiría que la presión manométrica en la cavidad pleural fuera pe = −18 mm Hg. Sin embargo ésta es pe = −4 mm Hg (suficiente para mantener a los pulmones junto a la pared de la cavidad).
Es decir, en realidad pi − pe = 1 mm Hg (15 veces menor de lo esperado).
Problema: No hay suficiente presión para inflar los alveolos si γ constante
• Al dilatarse, la concentración de tensioactivo disminuye y γ aumenta hasta el máximo de dilatación. Al espirar, el incremento de tensión superficial
5.3 Ángulo de contacto y capilaridad
Fuerzas de cohesión y adhesión
agua mercurio
Recipiente de vidrio con:
vidrio
Hg
vidrio aire
H2O aire
Las fuerzas atractivas entre las moléculas del líquido, causantes de la tensión superficial, se llaman fuerzas de cohesión. Dependen sólo de la naturaleza del líquido.
Con ellas compiten las fuerzas de adhesión, entre el líquido y el sólido con el que está en contacto, dependiendo de la naturaleza de ambos.
Unas veces las fuerzas adhesivas predominan (ejemplo: agua-vidrio).
Otras veces las fuerzas cohesivas predominan (ejemplo: mercurio-vidrio).
vidrio vidrio
Gotas:
F Fc
Fc Fa
Su relación determina la forma de la superficie libre del líquido en las proximidades de una pared sólida.
θ
θ
menisco convexo
ángulo θ que forma la superficie sólida con la tangente al superfice líquida en el punto
de contacto (pasando por el líquido). θ
líquido que moja líquido que no moja ángulo de contacto > 90o ángulo de contacto < 90o
Ángulo de contacto
θ θ
menisco cóncavo
Si la adhesión predomina Si la cohesión predomina
Agua-vidrio limpio: θ = 0° Mercurio-vidrio: θ = 140°
Ej.:
tiende a extenderse prefiere mantenerse unido
patm
ρ h
θ
Fγ θ Fγ
Acción capilar o capilaridad
Dependiendo del ángulo de contacto, puede ocurrir que el líquido ascienda (θ < 90°) o descienda (θ > 90°) por un tubo estrecho (capilar) una cierta altura h, lo que se denomina capilaridad o acción capilar.
En efecto: en el equilibrio, el peso de la columna de líquido se compensará con la componente vertical de las fuerzas de cohesión Fγ cosθ (debida a la tensión superficial γ). Las fuerzas de adhesión no intervienen (son perpendiculares a la superficie del tubo).
gr cos h 2
h
r g cos
r
2 2
ρ
θ
= γ
⇒ π
ρ
= θ γ
π
h↑ si γ↑ h↑ si r↓
Si θ = 90º, h =0 Si θ < 90º, h >0 Si θ >90º, h <0
h
h’
líquido que moja (θ < 90º) líquido que no moja (θ > 90º)
θ = 90º El líquido ni sube ni baja en el capilar
Por tanto:
Ascenso de la savia en los árboles:
capilaridad y otros mecanismos
• Hipótesis: la savia asciende por capilaridad Comprobación:
estimación de la altura máxima alcanzable por capilaridad
Æ xilema ≈ conductos con r ≈ 20 µm Æ savia ≈ agua con sales
γsavia ≈ γagua ≈ 0.073 N/m (20°C) ρsavia ≈ ρagua ≈ 1000 kg/m3
Æ la savia moja por completo (θ ≈ 0°)
Altura máxima: xilema del
chopo cm 74 m
74 . m 0
10 20
s / m 8 . 9 m
/ kg 10
1 m / N 073 . 0 2 gr
cos
hmax 2 3 3 2 2 6 = =
×
×
×
×
= × ρ
θ
= γ −
5.3 Ejemplos biológicos
• Veamos el mecanismo que más contribuye a la elevación de la savia:
Al contrario que un gas, un líquido tiende a permanecer unido por las fuerzas de cohesión.
Este fenómeno se llama presión negativa (agua pura Æ hasta 280 atm)
experimento:
separar dos placas de vidrio con y sin
agua en el medio
• La presión osmótica (siguiente tema) también es insuficiente.
Así, la columna de savia se comporta como una barra sólida, que asciende por el xilema salvando diferencias de altura enormes. ¿Pero cómo se eleva?
El ascenso se produce gracias a la evaporación del agua en las hojas (Æ ver animación)
Las moléculas que se evaporan arrastran otras a las que están unidad por cohesión.
¿por qué no usa el árbol conductos más finos para transportar la savia?
la viscosidad impediría el transporte de suficiente cantidad de savia
(Æ Ley de Poiseuille) L p
8
Q r4 ∆ η
= π
gr cos hmax 2
ρ
θ
= γ
• Pregunta final:
El ascenso se debe a la acción combinada de la capilaridad junto con la evaporación en las hojas
y la presión negativa en los conductos del xilema Conclusión:
… y a la capilaridad en los finos conductos de los estomas, de unos 5 nm de radio.
estomas de hinojo
Gracias a que la savia se comporta como una barra rígida, el ascenso capilar en los estomas podría
soportar una columna de hasta 3 km de altura (compruébese).
